(57)【要約】【課題】  受動的制振用ダンパの中で最も制振性能の高い最適受動制振用ダンパとして振動エネルギの散逸を行うことができる一方、省エネルギで振動を速く減衰させることのできる、準能動的制振用の磁性流体ダンパ装置を提供する。【解決手段】  磁性流体ダンパ装置１において、それぞれ磁性流体２を充填した第１のチャンバ３と第２のチャンバ４とが、これら２つのチャンバを連通させるシリンダ５で結合されている。第１のチャンバ３及び第２のチャンバ４の側壁には、伸縮自在な材料としてベローズが使用されている。シリンダ５の外側近傍には、シリンダ５内を流れる磁性流体２の流れ方向と垂直に磁場を印加するためにコイル７ａ，７ｂを巻きつけた形態の永久磁石を含む複合磁石８ａ，８ｂが対向して配置されている。【選択図】      図１
2005121135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性流体を充填した第１及び第２のチャンバ、
該第１及び第２のチャンバを連通させる連通部、及び
該連通部内の磁性流体に磁場を印加する、該連通部の外側でかつ近傍に配置された永久磁石及び電磁コイル
を備えていることを特徴とする、磁性流体ダンパ装置。
【請求項２】
さらに、前記永久磁石の該電磁コイルへ向かう磁束を調整するための磁束調整用ブロックを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の磁性流体ダンパ装置。
【請求項３】
前記磁束調整用ブロックは、所定の間隔をもって互いに離隔している２つのブロックを含むことを特徴とする、請求項２に記載の磁性流体ダンパ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性流体ダンパ装置、特に、宇宙構造体などの構造物の制振に適する準能動型の磁性流体ダンパ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物の制振方法は、能動的制振と受動的制振に大別され、さらにその中間的な方法として準能動的制振がある。準能動的制振は、構造物の受動的制振能力が極力大きくなるよう、構造物やダンパの持つ特性を積極的に制御する方法である。準能動的制振の場合、エネルギが受動的メカニズムにより散逸されるため、能動的制振に比べて系は常に安定であり、同時に、受動的制振に比べてより高い制振効果が期待できる。
従来の準能動的制振用ダンパには、オリフィスの開閉によりダンパの特性を変化させて制振を行うもの、あるいは、入力磁場または電圧によって力学的特性が変化する磁性流体または電気粘性流体をダンパ内の作動流体として用い、ダンパの特性を可変とすることにより振動エネルギを速く吸収させるものなどがある。
これら従来の準能動型制振用ダンパでは、ダンパ特性を制御している時のダンパの制振性能を向上させることを目的として、ダンパ特性を制御しないダンパへの入力がオフの時の作動流体の基底粘度が低い値となるようにダンパを設計するのが通常である。このため、従来の準能動的制振用ダンパは、ダンパ特性を制御している時には高い制振効果を提供するものの、ダンパ特性を制御していない場合には、粘度の低い受動的制振用ダンパとしてエネルギ散逸を行うため制振効果が低下する、という問題を有していた。
【０００３】
【非特許文献１】AIAA Journal Vol. 35, No.12, 1844-1852 December 1997
【非特許文献２】Smart Mater. Struct. 11 (2002) 156-162
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、ダンパ特性の制御を行わない場合であっても、最も制振性能の高い最適受動制振用ダンパとして振動エネルギの散逸を行うことができる一方、ダンパ特性の制御を行う場合には、省エネルギで振動を速く減衰させることのできる、準能動的制振用の磁性流体ダンパ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、入力磁場によって流体としての力学的特性が変化する磁性流体をダンパ装置内の作動流体として用い、磁性流体に磁場を印加するためのデバイスとして永久磁石を組み込んだ電磁石を含む複合磁石を利用することにより、上記課題を解決し得ることを見いだした。
すなわち、本発明は、
磁性流体を充填した第１及び第２のチャンバ、
該第１及び第２のチャンバを連通させる連通部、及び
該連通部内の磁性流体に磁場を印加する、該連通部の外側でかつ近傍に配置された永久磁石及び電磁コイル
を備えている、磁性流体ダンパ装置を提供する。
本発明の磁性流体ダンパ装置は、さらに、前記永久磁石の該電磁コイルへ向かう磁束を調整するための磁束調整用ブロックを備えているのが望ましい。
また、本発明の磁性流体ダンパ装置において、前記磁束調整用ブロックは、所定の間隔をもって互いに離隔している２つのブロックを含むのが望ましい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ダンパ特性の制御を行わない場合には、最適受動制振用ダンパとして振動エネルギの散逸を行い、さらにダンパ特性の制御を行う場合には、省エネルギで振動を速く減衰させることのできる、準能動的制振用の磁性流体ダンパ装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明による磁性流体ダンパ装置の一実施例の断面図であって、磁性流体ダンパ装置１において、それぞれ磁性流体２を充填した第１のチャンバ３と第２のチャンバ４とが、これら２つのチャンバを連通させるシリンダ５で結合されている。第１のチャンバ３及び第２のチャンバ４の側壁には、伸縮自在な材料としてベローズが使用されている。シリンダ５の外側近傍には、シリンダ５内を流れる磁性流体２の流れ方向と垂直に磁場を印加するためにコイル７ａ，７ｂを巻きつけた形態の永久磁石を含む複合磁石８ａ，８ｂが対向して配置されている。
【０００８】
図２は、本発明の磁性流体ダンパ装置に使用する複合磁石の一例の断面図であって、複合磁石８は永久磁石９を備え、この永久磁石９が発生する磁力は複合磁石８ａ，８ｂを通って磁性流体ダンパ装置１のシリンダ５のなかの磁性流体２に作用する。また、複合磁石８ａ，８ｂの近傍にはコイル７ａ，７ｂが巻きつけられており、さらに、永久磁石９の側面には、永久磁石９により発生する、複合磁石８ａ，８ｂの間に位置する磁極の中心（ポイントＯ）１３での磁束密度の大きさを調整するための磁束調整用ブロック１０が取付けられている。この磁束調整用ブロック１０は、所定のギャップ１１をもって互いに離隔している２つのブロック１２ａ，１２ｂを有している。
コイル７ａ，７ｂに電流を印加しない場合において、永久磁石９の側面に磁束調整用ブロック１０が取付けられていなければ、ポイントＯでの磁束密度は、永久磁石９の磁力によって決まる一定の大きさに保たれることになる。また、磁束調整用ブロック１０を取付けると、永久磁石９から複合磁石８ａ，８ｂへ向かう磁束の一部を磁束調整用ブロック１０の方向へ向けることができ、このとき、ブロック１２ａとブロック１２ｂとの間のギャップ１１の大きさを適宜変更することにより、ポイントＯでの磁束密度値を変えることができる。さらに、永久磁石９と磁束調整用ブロック１０との組み合わせによって形成されたポイントＯでの磁束密度を、コイル７ａ，７ｂに電流を印加して反対向きの磁力を発生させることにより、キャンセルすることができる。
【０００９】
図３は、上記のように構成した複合磁石８において、コイル７ａ，７ｂに電流を印加することなくギャップ１１の大きさが異なる様々な磁束調整用ブロック１０を使用した場合、及び、さらにコイル７ａ，７ｂに電流を印加した場合における、ポイントＯ付近での磁束密度分布を示す図である。図３から、電流を印加することなく永久磁石９と磁束調整用ブロック１０との組み合わせによってポイントＯに形成した磁束密度を、コイル７ａ，７ｂに電流を印加することによってほぼ０ｍＴまでキャンセルできることがわかる。
【００１０】
図４は、上記のように構成した磁性流体ダンパ装置１のダンパ特性を理解するために行った、一定速度でのダンパの引張・圧縮繰り返し試験の結果を示す図である。図４から、永久磁石９と磁束調整用ブロック１０との組み合わせによりポイントＯに形成された磁束密度が４０ｍＴである場合、ダンパにかかる荷重とダンパの伸びとの関係は、大きなヒステリシスを示すことがわかる。これに対し、コイル７ａ，７ｂに０．８１Ａの電流を印加することによってこの４０ｍＴの磁束密度をキャンセルすると、ヒステリシスは、複合磁石を使用しない場合（０ｍＴ）とほぼ一致する極めて小さなものとなることがわかる。
【００１１】
図５は、磁性流体ダンパの近似モデルを示しており、図５に示すように、磁性流体ダンパの特性が近似できる数学モデルは、２つのバネ要素（ｋ1，ｋ2）、可変粘性要素（ダッシュポット要素、ｃ）及びクーロン摩擦要素（ｆ）で構成される。本実施例において、ｋ1はベローズの軸剛性に相当し、ｋ2は磁性流体ダンパ装置１内の磁性流体２の体積剛性に相当する。また、ｃ及びｆは磁性流体２の特性によるものであり、磁場の入力によって可変となる。線形最適制御理論から数学モデルでのダッシュポット要素の伸び率についての最適制御量を求めることができる。この制御では、ダッシュポット要素の伸びができるだけ大きくなるように入力磁場を変化させ、摩擦値や粘性値を積極的に切り替える。例えば、ダッシュポット要素の伸び率が最適値から遠ざかろうとするときは、摩擦値と粘性値を大きくしてダッシュポットの伸びを抑制し、反対に伸び率が最適値に近づこうとするときは、摩擦値と粘性値を小さくしてダッシュポットが自由に伸びるようにする。
【００１２】
図６は、本発明による磁性流体ダンパ装置を使用した構造物の制振の一例を示すブロック図である。ここでは、制振構造物として、先端質量１４を有する全長３．４ｍの片持ちトラス１５を用いており、磁性流体ダンパ装置１は、トラス１５の根元に配置されている。トラス１５に振動が発生した場合、最適線形制御理論から導いた制御則から成るオン−オフ切り替え判定条件式に基づいて、磁性流体ダンパ装置１のコイル７ａ，７ｂへの印加電流の切り替え（オン−オフ制御）を行うことにより、制振を行う。
この制御を実現するために必要な計測量としては、磁性流体ダンパ装置１にかかる荷重（ｐ）、磁性流体ダンパ装置１の伸び率（ｄ）及びトラス１５の先端の変位量（ｕ）があり、それぞれロードセル、渦電流型変位センサ及びレーザ変位センサにより計測される。各センサから計測された値はＡ／Ｄボードに送られる。プロセッサの中で制御側から導かれる切り替え判定条件式により複合磁石への入力オン−オフを決定し、その判定信号をスイッチボードへ送って、磁性流体ダンパ装置１への入力磁場オン−オフ切り替えを行う。なお、図６において、ＤＣ電源Ｉはリレーを駆動するためのものであり、ＤＣ電源IIは複合磁石に電流を印加するためのものである。
【００１３】
図７は、各種ダンパを使用した場合の制振効果の時間履歴を示す図であり、縦軸は図６におけるトラスの先端変位ｕ（ｍｍ）及びダンパへの入力磁束密度（ｍＴ）を表す。図７（ａ）は本発明による磁性流体ダンパ装置を使用した場合、図７（ｂ）は電磁石を使用した従来の準能動的制振用磁性流体ダンパを使用した場合の、制振効果の時間履歴を示している。さらに、図７（ａ）には、複合磁石を採用しない受動ダンパを使用した場合（０ｍＴ）、永久磁石９と磁束調整用ブロック１０との組み合わせにより、ポイントＯに形成される磁束密度が４０ｍＴとなるような受動ダンパを構成した場合が、比較のため示されている。
図７（ａ）から、本発明による磁性流体ダンパ装置において、ダンパ特性の制御を行うことにより、受動ダンパに比べて遙かに速い変位の減衰が得られることがわかる。また、図７（ａ）と図７（ｂ）とを比較すると、電磁石への電流印加時にある一定の磁束密度が得られる従来の電磁石のみを使用した準能動的制振用磁性流体ダンパ（図７（ｂ））に比べ、本発明による磁性流体ダンパ装置（図７（ａ））は、コイルに僅かな電流を印加するだけで効率的に制振を行うことができ、省エネルギタイプであることがわかる。
【００１４】
図８は、ダンパへの入力磁場が一定値に保たれた受動的制振用ダンパと本発明の磁性流体ダンパ装置を用いた準能動的制振用ダンパとの性能比較を示す図である。図８において、縦軸Ｕは、図６に示す構造物の制振の例におけるトラスの先端の変位量ｕの絶対値を２０秒間積分した値であり、Ｕの値が低いほど高い制振効果が得られていることを示している。
受動的制振用ダンパの場合、ダンパへの入力磁場が２５ｍＴ一定に保たれた場合に、最も低いＵ値が得られており、この場合に最も高い制振効果が得られる最適受動ダンパとなることがわかる。これに対し、準能動的制振用ダンパである本発明の磁性流体ダンパ装置において、ダンパ性能の制御を行うと、最適受動ダンパより低いＵ値が得られており、高い制振効果が得られることがわかる。
従来の準能動的制振用ダンパでは、ダンパ性能の制御を行う時の制振性能を向上させるために、ダンパ性能の制御を行わない場合の作動流体の基底粘度が低い値となるように設計するのが通常であった。このため、従来の準能動的制振用ダンパでは、オン−オフ切り替え装置の故障、またはダンパを運用しない場合では、粘度の低い受動型ダンパ（図８の０ｍＴの場合に相当）によってエネルギ散逸を行うこととなるため、受動型ダンパとしての制振効果は期待できなくなる。これに対し、本発明の磁性流体ダンパ装置では、例えば、ダンパへの入力磁場を最適受動ダンパの２５ｍＴに設定しておけば、上記のような問題が発生した場合であっても最適受動ダンパとして振動エネルギを吸収することができる。さらに、本発明の磁性流体ダンパ装置においてダンパ性能の制御を行うと、最適受動ダンパよりも遙かに速い振動の減衰が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明の活用例として、本発明による磁性流体ダンパ装置を、fail-safeと省エネルギが要求される宇宙構造物の制振に利用することが考えられる。このような利用態様において、本発明の磁性流体ダンパ装置は、宇宙空間の軌道上においてダンパ装置の制御を行うことが不可能な状態になった場合であっても最適受動ダンパとして振動エネルギを吸収することができる、という利点を有する。
本発明の他の活用例として、建築物や車のサスペンション等、地上の構造物の制振に利用することが考えられる。このような利用態様において、本発明の磁性流体ダンパ装置は、低いレベルの振動に対しては最適受動ダンパとして作用し、高いレベルの振動に対してはダンパ装置の制御を行うことで振動を速く減衰させることができる、という利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による磁性流体ダンパ装置の一実施例の断面図である。
【図２】本発明の磁性流体ダンパ装置に使用する複合磁石の一例の断面図である。
【図３】ポイントＯ付近での磁束密度分布を示す図である。
【図４】ダンパの引張・圧縮繰り返し試験の結果を示す図である。
【図５】磁性流体ダンパ装置の近似モデルを示す図である。
【図６】本発明による磁性流体ダンパ装置を使用した構造物の制振の一例を示すブロック図である。
【図７】（ａ）は本発明による磁性流体ダンパ装置を使用した場合の制振効果の時間履歴を示す図であり、（ｂ）は従来の電磁石のみを用いた準能動的制振用磁性流体ダンパを使用した場合の制振効果の時間履歴を示す図である。
【図８】ダンパへの入力磁場が一定値に保たれた受動的制振用ダンパと本発明の磁性流体ダンパ装置を用いた準能動的制振用ダンパとの性能比較を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】
１  磁性流体ダンパ装置
２  磁性流体
３  第１のチャンバ
４  第２のチャンバ
５  シリンダ
６  ベローズ
７ａ、７ｂ  コイル
８ａ、８ｂ  複合磁石
９  永久磁石
１０  磁束調整用ブロック
１１  ギャップ
１２ａ、１２ｂ  ブロック
１３  磁極の中心（ポイントＯ）
１４  先端質量
１５  片持ちトラス
【図１】
2005121135.tif 000003
【図２】
2005121135.tif 000004
【図３】
2005121135.tif 000005
【図４】
2005121135.tif 000006
【図５】
2005121135.tif 000007
【図６】
2005121135.tif 000008
【図７】
2005121135.tif 000009
【図８】
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